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室内声学基础

第一章声音的基本性质

一、声音的产生与传播

声音是人耳通过听觉神经对空气振动的主观感受。声音产生于物体的振动，例如扬声器的纸盆、拨动的琴弦等等。这些振动的物体称之为声源。声源发声后，必须经过一定的介质才能向外传播。这种介质可以是气体，也可以是液体和固体。于受到声源振动的干扰后，介质的分子也随之发生振动，从而使能量向外传播。但必须指出，介质的分子只是于其未被扰动前的平衡位置附近作来回振动，且没有随声波一起向外移动。介质分子的振动传到人耳时，将引起人耳耳膜的振动，最终通过听觉神经而产生声音的感觉。例如，扬声器的纸盆，当音圈通过交变电流时就会产生振动。这种振动引起邻近空气质点疏密状态的变化，又随即沿着介质依次传向较远的质点，最终到达接收者。可以看出，于声波的传播过程中，空气质点的振动方向与波的传播方向相平行，所以声波是纵波。扬声器纸盒就相当于上图中的活塞。

于空气中，声音就是振动于空气中的传播，我们称这为声波。声波可以于气体、固体、液体中传播，但不能于真空中传播。

二、声波的频率、波长与速度

当声波通过弹性介质传播时，介质质点于其平衡位置附近作来回振动。质点完成一次完全振动所经历的时间称为周期，记为T，单位是秒(s)。质点于1秒内完成完全振动的次数称为频率，记作f，单位为赫兹(Hz)，它是周期的倒数，即：f=1/T

介质质点振动的频率即声源振动的频率。频率决定了声音的音调。高频声音是高音调，低频声音是低音调。人耳能够听到的声波的频率范围约于20—20000Hz之间。低于20Hz的声波称为次声波，高于20000Hz的称为超声波。次声波与超声波均不能使人产生听感觉。声波于其传播途径上，相邻两个同相位质点之间的距离称为波长，记为λ，单位是m(m)。或者说，波长是声波于每一次完全振动周期中所传播的距离。声波于弹性介质中传播的速度称为声速，记为v，单位是m/秒(m/s)。

声速不是介质质点振动的速度，而是质点振动状态的传播速度。它的大小与质点振动的特性无关，而与介质的弹性、密度以及温度有关。20度的空气中声速为344m/秒。

频率、波长、周期和声速有如下关系：c=fλ或c=λ/T

声学测量中常常于某一频率区间取特定值进行测量。这个频率区间称之为频带（Frequencyband）。由上限频率f2和下限频率f1规定宽带。f1、f2间隔可以用频率比或以2为底的对数表示，称为频程。关系式：f2=2^nf1

当n=1时，称为1/1倍频程(Octave)，即每个频带是上限频率为下限频率两倍的频带宽度，即f2=2f1。当n=1/3时，称为1/3倍频程，即每个频带是上限频率为下限频率1.26倍的频带宽度，即f2=1.26f1。为了某种特殊的需要，更窄的频带有1/10倍频程、1/12倍频程、1/15倍频程、1/30倍频程等等。1/1倍频程对应于音乐上的一个八度。于房屋建筑中，频率为100-10000Hz的声音很重要。它们的波长范围相当于3.4-0．034m。这个波长范围与建筑内部的一些部件尺度相近，故于处理一些建筑声学问题时，对这一波段的声波尤其要引起重视。

三、声功率级、声强级和声压级

声功率级：声功率是指声源于单位时间内向外辐射的声能，用W表示，单位为瓦(W)或微瓦(uW)。

为了计算方便，通常用一个声功率基准量10-12W作参考量，把声功率与之相比取常用对数，乘以10，称为声功率级，即:Lw=10lg(W/Wo)这里Lw为声功率级(dB)，W为声功率，Wo为基准声功率。

声强级：单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S(m2)的平均声能量称为平均声能量流或平均声能通量。单位面积上的平均声能通量就称为声强，记为I(W/m2)。为了计算方便，通常用一个声强基准量值10-12W/m2作参考量，把声强与之相比取常用对数，乘以20，称为声强级，即:Li=10lg(I/Io)这里Li为声强级(dB)，I为声强(W/m2)，Io为基准声强。

声压级(SPL)：声波于媒介中传播时，媒介某点由于受声波扰动后压强超过原先静压力的值，取均方根后的值称为声压。人耳于最低闻阀到痛阀之间相差100万倍，为了计量方便，把声压基准值20×10^-6(N/m^2)作参考量，把声压与之相比取常用对数，乘以20，称为声压级，即:Lp=20lo(P/Po)这里Lp为声压级(dB)，P为声压(N/m2或Pa)，Po为基准声压。

四、声波的反射、扩散、衍射与干涉

1、声波的镜像反射:声波于前进过程中，如果遇到尺寸大于波长的界面，则声波将被反射。入射角等

于反射角。反射的声能与界面的吸声系数有关。

2、声波的扩散反射:声波于传播的过程中，如果遇到一些凸形的界面，就会被分解成许多较小的反射

声波，且且使传播的立体角扩大，这种现象称之为扩散反射。适当的声波扩散反射，可以促进声音分布均匀，且可防止一些声学缺陷的出现。

3、声波的衍射:当声波波长小于等于障碍物的尺寸时，会绕过去，称为衍射。

4、声波的干涉:频率相同的声波相遇后会产生干涉现象，相位相同的声波叠加后，幅度倍增，相位相

反则抵消。声波干涉的结果造成频率响应特性出现峰和谷的波动，其形状象“梳子”，因此又称为梳状滤波器特性(效应)。直达声和反射声来自同一声源，因而频率相同，由于经过的路径长短不同，就会产生相位差，从而会产生干涉现象。

五、声波的吸收与透射

当声波从一种介质传递到另一种介质时，声能的一部分被反射；一部分透过物体继续传播，称为透射；另一部分由于物体的振动或声音于物体内部传播时介质的磨擦或热传导而被损耗，称为材料的吸收。透射声能与入射声能之比称为透射系数τ。反射声能与入射声能之比称为反射系数γ。通常将τ值小的材料用作隔声材料，将γ值小的材料用作吸声材料。定义吸声系数α=1-γ。α=0，入射声能全部被反射；α=1时，入射声能全部被吸收。敝开的窗户吸声系数为1。吸声系数的大小与频率关联，通常我们所说的吸声系数是平均吸声系数。

第二章室内声场

一、自由声场与室外声场

传播声波的空间称为声场，声场分自由声场、扩散声场(混响声场)和半自由声场。所谓自由声场，即于声波传播的空间中无反射面，声源于该声场中发声，于声场中的任一点只有直达声，无反射声。

消声室就是人造的自由声场。电声设备的均要于消声室中进行。

于室外，某点声源发出的球面声波，其波阵面连续向外扩张，随着声波与声源距离的增加，声能迅速衰减。当点声源向没有反射面的自由空间辐射声能时，声波以球面波的形式辐射。这时，任何一点上的声强遵循与距离平方成反比的定律。如果用声压级表示，则距离增加一倍，声压级衰减6dB。

二、室内声场

于室内，声波于封闭空间中的传播及其特性比于露天场合要复杂得多。这时，声波将受到封闭空间各个界面，如顶棚、地面、墙壁等的反射、吸收与透射。室内声场因而存于着许多与自由声场不同的声学问题。研究室内声场，对室内音质设计和噪声控制具有重要的意义。

室内声场的特点

(1)声波于各个界面引起一系列的反射，吸收与透射；

(2)与自由声场有不同的音质；

(3)由于房间的共振可能引起某些频率的声音被加强或减弱；

(4)声能的空间分布发生了变化。